[理學(xué)]《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》第五章講義課件(PPT 137頁)

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第 5 版）第 5 章 運(yùn)輸層2022/7/221第1頁，共137頁。第 5 章 運(yùn)輸層 5.1 運(yùn)輸層協(xié)議概述 5.1.1 進(jìn)程之間的通信 5.1.2 運(yùn)輸層的兩個(gè)主要協(xié)議 5.1.3 運(yùn)輸層的端口5.2 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 UDP 5.2.1 UDP 概述5.2.2 UDP 的首部格式2022/7/222第2頁，共137頁。第 5 章 運(yùn)輸層（續(xù)）5.3 傳輸控制協(xié)議 TCP 概述 5.3.1 TCP 最主要的特點(diǎn) 5.3.2 TCP 的連接5.4 可靠傳輸?shù)墓ぷ髟?5.4.1 停止等待協(xié)議 5.4.2 連續(xù) ARQ 協(xié)議5.5 TCP 報(bào)文段的首部格式2022/7/223第3頁

2、，共137頁。第 5 章 運(yùn)輸層（續(xù)）5.6 TCP 可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 5.6.1 以字節(jié)為單位的滑動(dòng)窗口 5.6.2 超時(shí)重傳時(shí)間的選擇 5.6.3 選擇確認(rèn) SACK5.7 TCP的流量控制 5.7.1 利用滑動(dòng)窗口實(shí)現(xiàn)流量控制 5.7.1 必須考慮傳輸效率2022/7/224第4頁，共137頁。第 5 章 運(yùn)輸層（續(xù)）5.8 TCP 的擁塞控制 5.8.1 擁塞控制的一般原理 5.8.2 幾種擁塞控制方法 5.8.3 隨機(jī)早期檢測 RED5.9 TCP 的運(yùn)輸連接管理 5.9.1 TCP 的連接建立 5.9.2 TCP 的連接釋放 5.9.3 TCP 的有限狀態(tài)機(jī) 2022/7/225第5

3、頁，共137頁。5.1 運(yùn)輸層協(xié)議概述5.1.1 進(jìn)程之間的通信從通信和信息處理的角度看，運(yùn)輸層向它上面的應(yīng)用層提供通信服務(wù)，它屬于面向通信部分的最高層，同時(shí)也是用戶功能中的最低層。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的邊緣部分中的兩個(gè)主機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)的核心部分的功能進(jìn)行端到端的通信時(shí)，只有位于網(wǎng)絡(luò)邊緣部分的主機(jī)的協(xié)議棧才有運(yùn)輸層，而網(wǎng)絡(luò)核心部分中的路由器在轉(zhuǎn)發(fā)分組時(shí)都只用到下三層的功能。 2022/7/226第6頁，共137頁。運(yùn)輸層為相互通信的應(yīng)用進(jìn)程提供了邏輯通信 54321運(yùn)輸層提供應(yīng)用進(jìn)程間的邏輯通信主機(jī) A主機(jī) B應(yīng)用進(jìn)程應(yīng)用進(jìn)程路由器 1路由器 2AP1LAN2WANAP2AP3AP4IP 層LAN1AP1AP2

4、AP4端口端口54321IP 協(xié)議的作用范圍運(yùn)輸層協(xié)議 TCP 和 UDP 的作用范圍AP32022/7/227第7頁，共137頁。應(yīng)用進(jìn)程之間的通信兩個(gè)主機(jī)進(jìn)行通信實(shí)際上就是兩個(gè)主機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)程互相通信。 應(yīng)用進(jìn)程之間的通信又稱為端到端的通信。 運(yùn)輸層的一個(gè)很重要的功能就是復(fù)用和分用。應(yīng)用層不同進(jìn)程的報(bào)文通過不同的端口向下交到運(yùn)輸層，再往下就共用網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)?！斑\(yùn)輸層提供應(yīng)用進(jìn)程間的邏輯通信”?！斑壿嬐ㄐ拧钡囊馑际牵哼\(yùn)輸層之間的通信好像是沿水平方向傳送數(shù)據(jù)。但事實(shí)上這兩個(gè)運(yùn)輸層之間并沒有一條水平方向的物理連接。2022/7/228第8頁，共137頁。運(yùn)輸層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的主要區(qū)別 應(yīng)用

5、進(jìn)程應(yīng)用進(jìn)程IP 協(xié)議的作用范圍（提供主機(jī)之間的邏輯通信）TCP 和 UDP 協(xié)議的作用范圍（提供進(jìn)程之間的邏輯通信）因 特 網(wǎng)2022/7/229第9頁，共137頁。運(yùn)輸層的主要功能 運(yùn)輸層為應(yīng)用進(jìn)程之間提供端到端的邏輯通信（但網(wǎng)絡(luò)層是為主機(jī)之間提供邏輯通信）。運(yùn)輸層還要對收到的報(bào)文進(jìn)行差錯(cuò)檢測。運(yùn)輸層需要有兩種不同的運(yùn)輸協(xié)議，即面向連接的 TCP 和無連接的 UDP。 2022/7/2210第10頁，共137頁。兩種不同的運(yùn)輸協(xié)議運(yùn)輸層向高層用戶屏蔽了下面網(wǎng)絡(luò)核心的細(xì)節(jié)（如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、所采用的路由選擇協(xié)議等），它使應(yīng)用進(jìn)程看見的就是好像在兩個(gè)運(yùn)輸層實(shí)體之間有一條端到端的邏輯通信信道。當(dāng)運(yùn)輸層

6、采用面向連接的 TCP 協(xié)議時(shí)，盡管下面的網(wǎng)絡(luò)是不可靠的（只提供盡最大努力服務(wù)），但這種邏輯通信信道就相當(dāng)于一條全雙工的可靠信道。當(dāng)運(yùn)輸層采用無連接的 UDP 協(xié)議時(shí)，這種邏輯通信信道是一條不可靠信道。 2022/7/2211第11頁，共137頁。TCP/IP 的運(yùn)輸層有兩個(gè)不同的協(xié)議：(1) 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 UDP (User Datagram Protocol)(2) 傳輸控制協(xié)議 TCP (Transmission Control Protocol)5.1.2 運(yùn)輸層的兩個(gè)主要協(xié)議 2022/7/2212第12頁，共137頁。兩個(gè)對等運(yùn)輸實(shí)體在通信時(shí)傳送的數(shù)據(jù)單位叫作運(yùn)輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元 T

7、PDU (Transport Protocol Data Unit)。TCP 傳送的數(shù)據(jù)單位協(xié)議是 TCP 報(bào)文段(segment) UDP 傳送的數(shù)據(jù)單位協(xié)議是 UDP 報(bào)文或用戶數(shù)據(jù)報(bào)。 TCP 與 UDP 2022/7/2213第13頁，共137頁。TCP/IP 體系中的運(yùn)輸層協(xié)議 TCPUDPIP應(yīng)用層與各種網(wǎng)絡(luò)接口運(yùn)輸層2022/7/2214第14頁，共137頁。TCP 與 UDP UDP 在傳送數(shù)據(jù)之前不需要先建立連接。對方的運(yùn)輸層在收到 UDP 報(bào)文后，不需要給出任何確認(rèn)。雖然 UDP 不提供可靠交付，但在某些情況下 UDP 是一種最有效的工作方式。TCP 則提供面向連接的服務(wù)。

8、TCP 不提供廣播或多播服務(wù)。由于 TCP 要提供可靠的、面向連接的運(yùn)輸服務(wù)，因此不可避免地增加了許多的開銷。這不僅使協(xié)議數(shù)據(jù)單元的首部增大很多，還要占用許多的處理機(jī)資源。 2022/7/2215第15頁，共137頁。還要強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn) 運(yùn)輸層的 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)與網(wǎng)際層的IP數(shù)據(jù)報(bào)有很大區(qū)別。IP 數(shù)據(jù)報(bào)要經(jīng)過互連網(wǎng)中許多路由器的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，但 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)是在運(yùn)輸層的端到端抽象的邏輯信道中傳送的。TCP 報(bào)文段是在運(yùn)輸層抽象的端到端邏輯信道中傳送，這種信道是可靠的全雙工信道。但這樣的信道卻不知道究竟經(jīng)過了哪些路由器，而這些路由器也根本不知道上面的運(yùn)輸層是否建立了 TCP 連接。 2022/

9、7/2216第16頁，共137頁。5.1.3 運(yùn)輸層的端口 運(yùn)行在計(jì)算機(jī)中的進(jìn)程是用進(jìn)程標(biāo)識符來標(biāo)志的。運(yùn)行在應(yīng)用層的各種應(yīng)用進(jìn)程卻不應(yīng)當(dāng)讓計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)指派它的進(jìn)程標(biāo)識符。這是因?yàn)樵谝蛱鼐W(wǎng)上使用的計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)種類很多，而不同的操作系統(tǒng)又使用不同格式的進(jìn)程標(biāo)識符。為了使運(yùn)行不同操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)的應(yīng)用進(jìn)程能夠互相通信，就必須用統(tǒng)一的方法對 TCP/IP 體系的應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行標(biāo)志。 2022/7/2217第17頁，共137頁。需要解決的問題 由于進(jìn)程的創(chuàng)建和撤銷都是動(dòng)態(tài)的，發(fā)送方幾乎無法識別其他機(jī)器上的進(jìn)程。有時(shí)我們會(huì)改換接收報(bào)文的進(jìn)程，但并不需要通知所有發(fā)送方。我們往往需要利用目的主機(jī)提供的功

10、能來識別終點(diǎn)，而不需要知道實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的進(jìn)程。2022/7/2218第18頁，共137頁。端口號(protocol port number)簡稱為端口(port)解決這個(gè)問題的方法就是在運(yùn)輸層使用協(xié)議端口號(protocol port number)，或通常簡稱為端口(port)。雖然通信的終點(diǎn)是應(yīng)用進(jìn)程，但我們可以把端口想象是通信的終點(diǎn)，因?yàn)槲覀冎灰岩獋魉偷膱?bào)文交到目的主機(jī)的某一個(gè)合適的目的端口，剩下的工作（即最后交付目的進(jìn)程）就由 TCP 來完成。2022/7/2219第19頁，共137頁。軟件端口與硬件端口在協(xié)議棧層間的抽象的協(xié)議端口是軟件端口。路由器或交換機(jī)上的端口是硬件端口。硬件端

11、口是不同硬件設(shè)備進(jìn)行交互的接口，而軟件端口是應(yīng)用層的各種協(xié)議進(jìn)程與運(yùn)輸實(shí)體進(jìn)行層間交互的一種地址。 2022/7/2220第20頁，共137頁。TCP 的端口 端口用一個(gè) 16 位端口號進(jìn)行標(biāo)志。端口號只具有本地意義，即端口號只是為了標(biāo)志本計(jì)算機(jī)應(yīng)用層中的各進(jìn)程。在因特網(wǎng)中不同計(jì)算機(jī)的相同端口號是沒有聯(lián)系的。2022/7/2221第21頁，共137頁。三類端口 熟知端口，數(shù)值一般為 01023。登記端口號，數(shù)值為102449151，為沒有熟知端口號的應(yīng)用程序使用的。使用這個(gè)范圍的端口號必須在 IANA 登記，以防止重復(fù)?？蛻舳丝谔柣蚨虝憾丝谔?，數(shù)值為4915265535，留給客戶進(jìn)程選擇暫時(shí)使

12、用。當(dāng)服務(wù)器進(jìn)程收到客戶進(jìn)程的報(bào)文時(shí)，就知道了客戶進(jìn)程所使用的動(dòng)態(tài)端口號。通信結(jié)束后，這個(gè)端口號可供其他客戶進(jìn)程以后使用。 2022/7/2222第22頁，共137頁。5.2 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 UDP 5.2.1 UDP 概述 UDP 只在 IP 的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)之上增加了很少一點(diǎn)的功能，即端口的功能和差錯(cuò)檢測的功能。雖然 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)只能提供不可靠的交付，但 UDP 在某些方面有其特殊的優(yōu)點(diǎn)。2022/7/2223第23頁，共137頁。UDP 的主要特點(diǎn) UDP 是無連接的，即發(fā)送數(shù)據(jù)之前不需要建立連接。UDP 使用盡最大努力交付，即不保證可靠交付，同時(shí)也不使用擁塞控制。UDP 是面向報(bào)文的

13、。UDP 沒有擁塞控制，很適合多媒體通信的要求。 UDP 支持一對一、一對多、多對一和多對多的交互通信。UDP 的首部開銷小，只有 8 個(gè)字節(jié)。 2022/7/2224第24頁，共137頁。面向報(bào)文的 UDP發(fā)送方 UDP 對應(yīng)用程序交下來的報(bào)文，在添加首部后就向下交付 IP 層。UDP 對應(yīng)用層交下來的報(bào)文，既不合并，也不拆分，而是保留這些報(bào)文的邊界。應(yīng)用層交給 UDP 多長的報(bào)文，UDP 就照樣發(fā)送，即一次發(fā)送一個(gè)報(bào)文。接收方 UDP 對 IP 層交上來的 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)，在去除首部后就原封不動(dòng)地交付上層的應(yīng)用進(jìn)程，一次交付一個(gè)完整的報(bào)文。應(yīng)用程序必須選擇合適大小的報(bào)文。2022/7/

14、2225第25頁，共137頁。UDP 是面向報(bào)文的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分IP 首部IP 層UDP 首部UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分運(yùn)輸層應(yīng)用層報(bào)文應(yīng)用層2022/7/2226第26頁，共137頁。5.2.2 UDP 的首部格式 偽首部源端口目的端口長 度檢驗(yàn)和數(shù) 據(jù)首 部UDP長度源 IP 地址目的 IP 地址017IP 數(shù)據(jù)報(bào)字節(jié)44112122222字節(jié)發(fā)送在前數(shù) 據(jù)首 部UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)2022/7/2227第27頁，共137頁。UDP 基于端口的分用 IP 層UDP 數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)端口 2端口 3端口 1UDP 分用2022/7/2228第28頁，共137頁。偽首部源端口目的端口長 度

15、檢驗(yàn)和數(shù) 據(jù)首 部UDP長度源 IP 地址目的 IP 地址017IP 數(shù)據(jù)報(bào)字節(jié)44112122222字節(jié)發(fā)送在前數(shù) 據(jù)首 部UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)用戶數(shù)據(jù)報(bào) UDP 有兩個(gè)字段：數(shù)據(jù)字段和首部字段。首部字段有 8 個(gè)字節(jié)，由 4 個(gè)字段組成，每個(gè)字段都是兩個(gè)字節(jié)。 2022/7/2229第29頁，共137頁。偽首部源端口目的端口長 度檢驗(yàn)和數(shù) 據(jù)首 部UDP長度源 IP 地址目的 IP 地址017IP 數(shù)據(jù)報(bào)字節(jié)44112122222字節(jié)發(fā)送在前數(shù) 據(jù)首 部UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)在計(jì)算檢驗(yàn)和時(shí)，臨時(shí)把“偽首部”和 UDP 用戶數(shù)據(jù)報(bào)連接在一起。偽首部僅僅是為了計(jì)算檢驗(yàn)和。2022/7/2230第30

16、頁，共137頁。計(jì)算 UDP 檢驗(yàn)和的例子 10011001 00010011 153.1900001000 01101000 8.10410101011 00000011 171.300001110 00001011 14.1100000000 00010001 0 和 1700000000 00001111 1500000100 00111111 108700000000 00001101 1300000000 00001111 1500000000 00000000 0（檢驗(yàn)和）01010100 01000101 數(shù)據(jù)01010011 01010100 數(shù)據(jù)01001001 010011

17、10 數(shù)據(jù)01000111 00000000 數(shù)據(jù)和 0（填充）10010110 11101101 求和得出的結(jié)果01101001 00010010 檢驗(yàn)和 153.19.8.104171.3.14.1112 字節(jié)偽首部8 字節(jié)UDP 首部7 字節(jié)數(shù)據(jù)填充按二進(jìn)制反碼運(yùn)算求和將得出的結(jié)果求反碼全 0 17 15 1087 13 15 全 0數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 全 02022/7/2231第31頁，共137頁。5.3 傳輸控制協(xié)議 TCP 概述 5.3.1 TCP 最主要的特點(diǎn) TCP 是面向連接的運(yùn)輸層協(xié)議。每一條 TCP 連接只能有兩個(gè)端點(diǎn)(endpoint)，每一條 T

18、CP 連接只能是點(diǎn)對點(diǎn)的（一對一）。 TCP 提供可靠交付的服務(wù)。 TCP 提供全雙工通信。面向字節(jié)流。 2022/7/2232第32頁，共137頁。768HTCP 面向流的概念 發(fā)送 TCP 報(bào)文段發(fā)送方接收方把字節(jié)寫入發(fā)送緩存從接收緩存讀取字節(jié)應(yīng)用進(jìn)程應(yīng)用進(jìn)程1230181716151419202145131211H109H加上 TCP 首部構(gòu)成 TCP 報(bào)文段TCPTCP字節(jié)流字節(jié)流H表示 TCP 報(bào)文段的首部x表示序號為 x 的數(shù)據(jù)字節(jié)TCP 連接2022/7/2233第33頁，共137頁。應(yīng)當(dāng)注意TCP 連接是一條虛連接而不是一條真正的物理連接。TCP 對應(yīng)用進(jìn)程一次把多長的報(bào)文發(fā)送

19、到TCP 的緩存中是不關(guān)心的。TCP 根據(jù)對方給出的窗口值和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度來決定一個(gè)報(bào)文段應(yīng)包含多少個(gè)字節(jié)（UDP 發(fā)送的報(bào)文長度是應(yīng)用進(jìn)程給出的）。TCP 可把太長的數(shù)據(jù)塊劃分短一些再傳送。TCP 也可等待積累有足夠多的字節(jié)后再構(gòu)成報(bào)文段發(fā)送出去。 2022/7/2234第34頁，共137頁。5.3.2 TCP 的連接 TCP 把連接作為最基本的抽象。每一條 TCP 連接有兩個(gè)端點(diǎn)。TCP 連接的端點(diǎn)不是主機(jī)，不是主機(jī)的IP 地址，不是應(yīng)用進(jìn)程，也不是運(yùn)輸層的協(xié)議端口。TCP 連接的端點(diǎn)叫做套接字(socket)或插口。端口號拼接到(contatenated with) IP 地址即構(gòu)成

20、了套接字。 2022/7/2235第35頁，共137頁。套接字 (socket) 套接字 socket = (IP地址: 端口號) (5-1)每一條 TCP 連接唯一地被通信兩端的兩個(gè)端點(diǎn)（即兩個(gè)套接字）所確定。即： TCP 連接 := socket1, socket2 = (IP1: port1), (IP2: port2) (5-2)2022/7/2236第36頁，共137頁。同一個(gè)名詞 socket有多種不同的意思 應(yīng)用編程接口 API 稱為 socket API, 簡稱為 socket。socket API 中使用的一個(gè)函數(shù)名也叫作 socket。調(diào)用 socket 函數(shù)的端點(diǎn)稱為 s

21、ocket。調(diào)用 socket 函數(shù)時(shí)其返回值稱為 socket 描述符，可簡稱為 socket。在操作系統(tǒng)內(nèi)核中連網(wǎng)協(xié)議的 Berkeley 實(shí)現(xiàn)，稱為 socket 實(shí)現(xiàn)。 2022/7/2237第37頁，共137頁。5.4 可靠傳輸?shù)墓ぷ髟?.4.1 停止等待協(xié)議 (a) 無差錯(cuò)情況A發(fā)送 M1確認(rèn) M1B發(fā)送 M2發(fā)送 M3確認(rèn) M2確認(rèn) M3A發(fā)送 M1B超時(shí)重傳 M1發(fā)送 M2確認(rèn) M1丟棄有差錯(cuò)的報(bào)文(b) 超時(shí)重傳tttt2022/7/2238第38頁，共137頁。請注意在發(fā)送完一個(gè)分組后，必須暫時(shí)保留已發(fā)送的分組的副本。分組和確認(rèn)分組都必須進(jìn)行編號。超時(shí)計(jì)時(shí)器的重傳時(shí)間應(yīng)當(dāng)

22、比數(shù)據(jù)在分組傳輸?shù)钠骄禃r(shí)間更長一些。 2022/7/2239第39頁，共137頁。確認(rèn)丟失和確認(rèn)遲到 A發(fā)送 M1B超時(shí)重傳 M1發(fā)送 M2丟棄重復(fù)的 M1重傳確認(rèn) M1(a) 確認(rèn)丟失確認(rèn) M1A發(fā)送 M1B超時(shí)重傳 M1發(fā)送 M2丟棄重復(fù)的 M1重傳確認(rèn)M1(b) 確認(rèn)遲到確認(rèn) M1收下遲到的確認(rèn)但什么也不做tttt2022/7/2240第40頁，共137頁?？煽客ㄐ诺膶?shí)現(xiàn)使用上述的確認(rèn)和重傳機(jī)制，我們就可以在不可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)可靠的通信。這種可靠傳輸協(xié)議常稱為自動(dòng)重傳請求ARQ (Automatic Repeat reQuest)。ARQ 表明重傳的請求是自動(dòng)進(jìn)行的。接收方不需要

23、請求發(fā)送方重傳某個(gè)出錯(cuò)的分組 。2022/7/2241第41頁，共137頁。信道利用率 停止等待協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是簡單，但缺點(diǎn)是信道利用率太低。 TDRTTATD + RTT + TAB分組確認(rèn)tt分組確認(rèn)2022/7/2242第42頁，共137頁。信道的利用率 U (5-3)2022/7/2243第43頁，共137頁。流水線傳輸 發(fā)送方可連續(xù)發(fā)送多個(gè)分組，不必每發(fā)完一個(gè)分組就停頓下來等待對方的確認(rèn)。由于信道上一直有數(shù)據(jù)不間斷地傳送，這種傳輸方式可獲得很高的信道利用率。 B分組ttAACK2022/7/2244第44頁，共137頁。5.4.2 連續(xù) ARQ 協(xié)議 123456789101112(a)

24、 發(fā)送方維持發(fā)送窗口（發(fā)送窗口是 5）發(fā)送窗口(b) 收到一個(gè)確認(rèn)后發(fā)送窗口向前滑動(dòng)向前123456789101112發(fā)送窗口2022/7/2245第45頁，共137頁。累積確認(rèn) 接收方一般采用累積確認(rèn)的方式。即不必對收到的分組逐個(gè)發(fā)送確認(rèn)，而是對按序到達(dá)的最后一個(gè)分組發(fā)送確認(rèn)，這樣就表示：到這個(gè)分組為止的所有分組都已正確收到了。累積確認(rèn)有的優(yōu)點(diǎn)是：容易實(shí)現(xiàn)，即使確認(rèn)丟失也不必重傳。缺點(diǎn)是：不能向發(fā)送方反映出接收方已經(jīng)正確收到的所有分組的信息。2022/7/2246第46頁，共137頁。Go-back-N（回退 N） 如果發(fā)送方發(fā)送了前 5 個(gè)分組，而中間的第 3 個(gè)分組丟失了。這時(shí)接收方只能

25、對前兩個(gè)分組發(fā)出確認(rèn)。發(fā)送方無法知道后面三個(gè)分組的下落，而只好把后面的三個(gè)分組都再重傳一次。這就叫做 Go-back-N（回退 N），表示需要再退回來重傳已發(fā)送過的 N 個(gè)分組。可見當(dāng)通信線路質(zhì)量不好時(shí)，連續(xù) ARQ 協(xié)議會(huì)帶來負(fù)面的影響。 2022/7/2247第47頁，共137頁。TCP 可靠通信的具體實(shí)現(xiàn) TCP 連接的每一端都必須設(shè)有兩個(gè)窗口一個(gè)發(fā)送窗口和一個(gè)接收窗口。 TCP 的可靠傳輸機(jī)制用字節(jié)的序號進(jìn)行控制。TCP 所有的確認(rèn)都是基于序號而不是基于報(bào)文段。 TCP 兩端的四個(gè)窗口經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)變化之中。TCP連接的往返時(shí)間 RTT 也不是固定不變的。需要使用特定的算法估算較為合理的

26、重傳時(shí)間。 2022/7/2248第48頁，共137頁。TCP首部20 字節(jié)的固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FIN32 位SYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充TCP 數(shù)據(jù)部分TCP 首部TCP 報(bào)文段IP 數(shù)據(jù)部分IP 首部發(fā)送在前5.5 TCP 報(bào)文段的首部格式 2022/7/2249第49頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位

27、 0 8 16 24 31填 充源端口和目的端口字段各占 2 字節(jié)。端口是運(yùn)輸層與應(yīng)用層的服務(wù)接口。運(yùn)輸層的復(fù)用和分用功能都要通過端口才能實(shí)現(xiàn)。 2022/7/2250第50頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充序號字段占 4 字節(jié)。TCP 連接中傳送的數(shù)據(jù)流中的每一個(gè)字節(jié)都編上一個(gè)序號。序號字段的值則指的是本報(bào)文段所發(fā)送的數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)的序號。 2022/7/2251第51頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固

28、定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充確認(rèn)號字段占 4 字節(jié)，是期望收到對方的下一個(gè)報(bào)文段的數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)的序號。 2022/7/2252第52頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充數(shù)據(jù)偏移（即首部長度）占 4 位，它指出 TCP 報(bào)文段的數(shù)據(jù)起始處距離 TCP 報(bào)

29、文段的起始處有多遠(yuǎn)。“數(shù)據(jù)偏移”的單位是 32 位字（以 4 字節(jié)為計(jì)算單位）。 2022/7/2253第53頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充保留字段占 6 位，保留為今后使用，但目前應(yīng)置為 0。 2022/7/2254第54頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKU

30、RG位 0 8 16 24 31填 充緊急 URG 當(dāng) URG 1 時(shí)，表明緊急指針字段有效。它告訴系統(tǒng)此報(bào)文段中有緊急數(shù)據(jù)，應(yīng)盡快傳送(相當(dāng)于高優(yōu)先級的數(shù)據(jù))。 2022/7/2255第55頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充確認(rèn) ACK 只有當(dāng) ACK 1 時(shí)確認(rèn)號字段才有效。當(dāng) ACK 0 時(shí)，確認(rèn)號無效。 2022/7/2256第56頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn)

31、 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充推送 PSH (PuSH) 接收 TCP 收到 PSH = 1 的報(bào)文段，就盡快地交付接收應(yīng)用進(jìn)程，而不再等到整個(gè)緩存都填滿了后再向上交付。 2022/7/2257第57頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充復(fù)位 RST (ReSeT) 當(dāng) RST 1 時(shí)，表明

32、TCP 連接中出現(xiàn)嚴(yán)重差錯(cuò)（如由于主機(jī)崩潰或其他原因），必須釋放連接，然后再重新建立運(yùn)輸連接。 2022/7/2258第58頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充同步 SYN 同步 SYN = 1 表示這是一個(gè)連接請求或連接接受報(bào)文。 2022/7/2259第59頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留

33、FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充終止 FIN (FINis) 用來釋放一個(gè)連接。FIN 1 表明此報(bào)文段的發(fā)送端的數(shù)據(jù)已發(fā)送完畢，并要求釋放運(yùn)輸連接。 2022/7/2260第60頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充窗口字段 占 2 字節(jié)，用來讓對方設(shè)置發(fā)送窗口的依據(jù)，單位為字節(jié)。2022/7/2261第61頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢

34、 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充檢驗(yàn)和 占 2 字節(jié)。檢驗(yàn)和字段檢驗(yàn)的范圍包括首部和數(shù)據(jù)這兩部分。在計(jì)算檢驗(yàn)和時(shí)，要在 TCP 報(bào)文段的前面加上 12 字節(jié)的偽首部。2022/7/2262第62頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG位 0 8 16 24 31填 充緊急指針字段 占 16 位，指出在本報(bào)文段中緊急數(shù)據(jù)共有多少

35、個(gè)字節(jié)（緊急數(shù)據(jù)放在本報(bào)文段數(shù)據(jù)的最前面）。 2022/7/2263第63頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKURG比特 0 8 16 24 31填 充選項(xiàng)字段 長度可變。TCP 最初只規(guī)定了一種選項(xiàng)，即最大報(bào)文段長度 MSS。MSS 告訴對方 TCP：“我的緩存所能接收的報(bào)文段的數(shù)據(jù)字段的最大長度是 MSS 個(gè)字節(jié)?！?MSS (Maximum Segment Size)是 TCP 報(bào)文段中的數(shù)據(jù)字段的最大長度。數(shù)據(jù)字段加上 TCP 首部才等于整個(gè)

36、的 TCP 報(bào)文段。2022/7/2264第64頁，共137頁。其他選項(xiàng)窗口擴(kuò)大選項(xiàng) 占 3 字節(jié)，其中有一個(gè)字節(jié)表示移位值 S。新的窗口值等于TCP 首部中的窗口位數(shù)增大到(16 + S)，相當(dāng)于把窗口值向左移動(dòng) S 位后獲得實(shí)際的窗口大小。時(shí)間戳選項(xiàng)占10 字節(jié)，其中最主要的字段時(shí)間戳值字段（4 字節(jié)）和時(shí)間戳回送回答字段（4 字節(jié)）。選擇確認(rèn)選項(xiàng)在后面的 5.6.3 節(jié)介紹。 2022/7/2265第65頁，共137頁。TCP首部20字節(jié)固定首部目 的 端 口數(shù)據(jù)偏移檢 驗(yàn) 和選 項(xiàng) （長 度 可 變）源 端 口序 號緊 急 指 針窗 口確 認(rèn) 號保 留FINSYNRSTPSHACKUR

37、G位 0 8 16 24 31填 充填充字段 這是為了使整個(gè)首部長度是 4 字節(jié)的整數(shù)倍。 2022/7/2266第66頁，共137頁。5.6 TCP 可靠傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)5.6.1 以字節(jié)為單位的滑動(dòng)窗口前移不允許發(fā)送已發(fā)送并收到確認(rèn)A 的發(fā)送窗口 = 20允許發(fā)送的序號26272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556B 期望收到的序號前沿后沿前移收縮根據(jù) B 給出的窗口值A(chǔ) 構(gòu)造出自己的發(fā)送窗口 TCP 標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)烈不贊成發(fā)送窗口前沿向后收縮 2022/7/2267第67頁，共137頁。不允許發(fā)送已發(fā)送并收到確認(rèn)A 的發(fā)送窗

38、口位置不變允許發(fā)送但尚未發(fā)送262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455已發(fā)送但未收到確認(rèn)56P1P2P3不允許接收已發(fā)送確認(rèn)并交付主機(jī)B 的接收窗口允許接收26272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556未按序收到可用窗口A 發(fā)送了 11 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù) P3 P1 = A 的發(fā)送窗口（又稱為通知窗口）P2 P1 = 已發(fā)送但尚未收到確認(rèn)的字節(jié)數(shù)P3 P2 = 允許發(fā)送但尚未發(fā)送的字節(jié)數(shù)（又稱為可用窗口） 2022/7/2268第68頁，共13

39、7頁。允許發(fā)送但尚未發(fā)送A 的發(fā)送窗口向前滑動(dòng)262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455已發(fā)送并收到確認(rèn)不允許發(fā)送已發(fā)送但未收到確認(rèn)56P1P2P3允許接收B 的接收窗口向前滑動(dòng)262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455已發(fā)送確認(rèn)并交付主機(jī)不允許接收56未按序收到A 收到新的確認(rèn)號，發(fā)送窗口向前滑動(dòng) 先存下，等待缺少的數(shù)據(jù)的到達(dá)2022/7/2269第69頁，共137頁。不允許發(fā)送已發(fā)送并收到確認(rèn)A 的發(fā)送窗口已滿，有效窗口為零262728

40、293031323334353637383940414243444546474849505152535455已發(fā)送但未收到確認(rèn)56P1P2P3A 的發(fā)送窗口內(nèi)的序號都已用完，但還沒有再收到確認(rèn)，必須停止發(fā)送。 2022/7/2270第70頁，共137頁。發(fā)送緩存 最后被確認(rèn)的字節(jié)發(fā)送應(yīng)用程序發(fā)送緩存最后發(fā)送的字節(jié)發(fā)送窗口已發(fā)送TCP序號增大2022/7/2271第71頁，共137頁。接收緩存接收應(yīng)用程序已收到接收窗口TCP接收緩存下一個(gè)讀取的字節(jié)序號增大下一個(gè)期望收到的字節(jié)（確認(rèn)號）2022/7/2272第72頁，共137頁。發(fā)送緩存與接收緩存的作用發(fā)送緩存用來暫時(shí)存放： 發(fā)送應(yīng)用程序傳送給發(fā)

41、送方 TCP 準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)； TCP 已發(fā)送出但尚未收到確認(rèn)的數(shù)據(jù)。接收緩存用來暫時(shí)存放： 按序到達(dá)的、但尚未被接收應(yīng)用程序讀取的數(shù)據(jù)； 不按序到達(dá)的數(shù)據(jù)。 2022/7/2273第73頁，共137頁。需要強(qiáng)調(diào)三點(diǎn)A 的發(fā)送窗口并不總是和 B 的接收窗口一樣大（因?yàn)橛幸欢ǖ臅r(shí)間滯后）。TCP 標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定對不按序到達(dá)的數(shù)據(jù)應(yīng)如何處理。通常是先臨時(shí)存放在接收窗口中，等到字節(jié)流中所缺少的字節(jié)收到后，再按序交付上層的應(yīng)用進(jìn)程。TCP 要求接收方必須有累積確認(rèn)的功能，這樣可以減小傳輸開銷。 2022/7/2274第74頁，共137頁。5.6.2 超時(shí)重傳時(shí)間的選擇重傳機(jī)制是 TCP 中最重要和最復(fù)雜

42、的問題之一。TCP 每發(fā)送一個(gè)報(bào)文段，就對這個(gè)報(bào)文段設(shè)置一次計(jì)時(shí)器。只要計(jì)時(shí)器設(shè)置的重傳時(shí)間到但還沒有收到確認(rèn)，就要重傳這一報(bào)文段。2022/7/2275第75頁，共137頁。往返時(shí)延的方差很大由于 TCP 的下層是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，IP 數(shù)據(jù)報(bào)所選擇的路由變化很大。因而運(yùn)輸層的往返時(shí)間的方差也很大。時(shí)間數(shù)據(jù)鏈路層運(yùn)輸層T1T2T3往返時(shí)間的概率分布2022/7/2276第76頁，共137頁。加權(quán)平均往返時(shí)間TCP 保留了 RTT 的一個(gè)加權(quán)平均往返時(shí)間 RTTS（這又稱為平滑的往返時(shí)間）。第一次測量到 RTT 樣本時(shí)，RTTS 值就取為所測量到的 RTT 樣本值。以后每測量到一個(gè)新的 RTT

43、樣本，就按下式重新計(jì)算一次 RTTS： 新的 RTTS (1 ) (舊的 RTTS) (新的 RTT 樣本) (5-4)式中，0 1。若 很接近于零，表示 RTT 值更新較慢。若選擇 接近于 1，則表示 RTT 值更新較快。RFC 2988 推薦的 值為 1/8，即 0.125。 2022/7/2277第77頁，共137頁。超時(shí)重傳時(shí)間 RTO (RetransmissionTime-Out) RTO 應(yīng)略大于上面得出的加權(quán)平均往返時(shí)間 RTTS。RFC 2988 建議使用下式計(jì)算 RTO： RTO RTTS + 4 RTTD (5-5)RTTD 是 RTT 的偏差的加權(quán)平均值。RFC 298

44、8 建議這樣計(jì)算 RTTD。第一次測量時(shí)，RTTD 值取為測量到的 RTT 樣本值的一半。在以后的測量中，則使用下式計(jì)算加權(quán)平均的 RTTD：新的 RTTD = (1 ) (舊的RTTD) + RTTS 新的 RTT 樣本 (5-6) 是個(gè)小于 1 的系數(shù)，其推薦值是 1/4，即 0.25。2022/7/2278第78頁，共137頁。往返時(shí)間 RTT?往返時(shí)間的測量相當(dāng)復(fù)雜 TCP 報(bào)文段 1 沒有收到確認(rèn)。重傳（即報(bào)文段 2）后，收到了確認(rèn)報(bào)文段 ACK。如何判定此確認(rèn)報(bào)文段是對原來的報(bào)文段 1 的確認(rèn)，還是對重傳的報(bào)文段 2 的確認(rèn)？ 發(fā)送一個(gè)TCP 報(bào)文段超時(shí)重傳TCP 報(bào)文段收到 AC

45、K時(shí)間12往返時(shí)間 RTT?是對哪一個(gè)報(bào)文段的確認(rèn)？2022/7/2279第79頁，共137頁。Karn 算法 在計(jì)算平均往返時(shí)間 RTT 時(shí)，只要報(bào)文段重傳了，就不采用其往返時(shí)間樣本。這樣得出的加權(quán)平均平均往返時(shí)間 RTTS 和超時(shí)重傳時(shí)間 RTO 就較準(zhǔn)確。 2022/7/2280第80頁，共137頁。報(bào)文段每重傳一次，就把 RTO 增大一些：新的 RTO (舊的 RTO) 系數(shù) 的典型值是 2 。當(dāng)不再發(fā)生報(bào)文段的重傳時(shí)，才根據(jù)報(bào)文段的往返時(shí)延更新平均往返時(shí)延 RTT 和超時(shí)重傳時(shí)間 RTO 的數(shù)值。實(shí)踐證明，這種策略較為合理。 修正的 Karn 算法 2022/7/2281第81頁，共

46、137頁。5.6.3 選擇確認(rèn) SACK(Selective ACK) 接收方收到了和前面的字節(jié)流不連續(xù)的兩個(gè)字節(jié)塊。如果這些字節(jié)的序號都在接收窗口之內(nèi)，那么接收方就先收下這些數(shù)據(jù)，但要把這些信息準(zhǔn)確地告訴發(fā)送方，使發(fā)送方不要再重復(fù)發(fā)送這些已收到的數(shù)據(jù)。 2022/7/2282第82頁，共137頁。1 1000 1501 3000 3501 4500確認(rèn)號 = 1001L1 = 1501L2 = 3501R1 = 3001R1 = 4501接收到的字節(jié)流序號不連續(xù) 連續(xù)的字節(jié)流第一個(gè)字節(jié)塊第二個(gè)字節(jié)塊 和前后字節(jié)不連續(xù)的每一個(gè)字節(jié)塊都有兩個(gè)邊界： 左邊界和右邊界。圖中用四個(gè)指針標(biāo)記這些邊界。

47、第一個(gè)字節(jié)塊的左邊界 L1 = 1501，但右邊界 R1 = 3001。 左邊界指出字節(jié)塊的第一個(gè)字節(jié)的序號，但右邊界減 1 才是 字節(jié)塊中的最后一個(gè)序號。 第二個(gè)字節(jié)塊的左邊界 L2 = 3501，而右邊界 R2 = 4501。 2022/7/2283第83頁，共137頁。RFC 2018 的規(guī)定如果要使用選擇確認(rèn)，那么在建立 TCP 連接時(shí)，就要在 TCP 首部的選項(xiàng)中加上“允許 SACK”的選項(xiàng)，而雙方必須都事先商定好。如果使用選擇確認(rèn)，那么原來首部中的“確認(rèn)號字段”的用法仍然不變。只是以后在 TCP 報(bào)文段的首部中都增加了 SACK 選項(xiàng)，以便報(bào)告收到的不連續(xù)的字節(jié)塊的邊界。由于首部選

48、項(xiàng)的長度最多只有 40 字節(jié)，而指明一個(gè)邊界就要用掉 4 字節(jié)，因此在選項(xiàng)中最多只能指明 4 個(gè)字節(jié)塊的邊界信息。2022/7/2284第84頁，共137頁。5.7 TCP 的流量控制5.7.1 利用滑動(dòng)窗口實(shí)現(xiàn)流量控制一般說來，我們總是希望數(shù)據(jù)傳輸?shù)酶煲恍５绻l(fā)送方把數(shù)據(jù)發(fā)送得過快，接收方就可能來不及接收，這就會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。流量控制(flow control)就是讓發(fā)送方的發(fā)送速率不要太快，既要讓接收方來得及接收，也不要使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。利用滑動(dòng)窗口機(jī)制可以很方便地在 TCP 連接上實(shí)現(xiàn)流量控制。 2022/7/2285第85頁，共137頁。seq = 1, DATAseq = 20

49、1, DATAseq = 401, DATAseq = 301, DATAseq = 101, DATAseq = 201, DATAseq = 501, DATAACK = 1, ack = 201, rwnd = 300ACK = 1, ack = 601, rwnd = 0ACK = 1, ack = 501, rwnd = 100AB允許 A 發(fā)送序號 201 至 500 共 300 字節(jié)A 發(fā)送了序號 101 至 200，還能發(fā)送 200 字節(jié)A 發(fā)送了序號 301 至 400，還能再發(fā)送 100 字節(jié)新數(shù)據(jù)A 發(fā)送了序號 1 至 100，還能發(fā)送 300 字節(jié)A 發(fā)送了序號 401

50、 至 500，不能再發(fā)送新數(shù)據(jù)了A 超時(shí)重傳舊的數(shù)據(jù)，但不能發(fā)送新的數(shù)據(jù)允許 A 發(fā)送序號 501 至 600 共 100 字節(jié)A 發(fā)送了序號 501 至 600，不能再發(fā)送了不允許 A 再發(fā)送（到序號 600 為止的數(shù)據(jù)都收到了）丟失！流量控制舉例A 向 B 發(fā)送數(shù)據(jù)。在連接建立時(shí)，B 告訴 A：“我的接收窗口 rwnd = 400（字節(jié)）”。2022/7/2286第86頁，共137頁。持續(xù)計(jì)時(shí)器(persistence timer)。TCP 為每一個(gè)連接設(shè)有一個(gè)持續(xù)計(jì)時(shí)器。只要 TCP 連接的一方收到對方的零窗口通知，就啟動(dòng)持續(xù)計(jì)時(shí)器。若持續(xù)計(jì)時(shí)器設(shè)置的時(shí)間到期，就發(fā)送一個(gè)零窗口探測報(bào)文段

51、（僅攜帶 1 字節(jié)的數(shù)據(jù)），而對方就在確認(rèn)這個(gè)探測報(bào)文段時(shí)給出了現(xiàn)在的窗口值。若窗口仍然是零，則收到這個(gè)報(bào)文段的一方就重新設(shè)置持續(xù)計(jì)時(shí)器。若窗口不是零，則死鎖的僵局就可以打破了。 2022/7/2287第87頁，共137頁。5.7.2 必須考慮傳輸效率可以用不同的機(jī)制來控制 TCP 報(bào)文段的發(fā)送時(shí)機(jī):第一種機(jī)制是 TCP 維持一個(gè)變量，它等于最大報(bào)文段長度 MSS。只要緩存中存放的數(shù)據(jù)達(dá)到 MSS 字節(jié)時(shí)，就組裝成一個(gè) TCP 報(bào)文段發(fā)送出去。第二種機(jī)制是由發(fā)送方的應(yīng)用進(jìn)程指明要求發(fā)送報(bào)文段，即 TCP 支持的推送(push)操作。第三種機(jī)制是發(fā)送方的一個(gè)計(jì)時(shí)器期限到了，這時(shí)就把當(dāng)前已有的緩存

52、數(shù)據(jù)裝入報(bào)文段（但長度不能超過 MSS）發(fā)送出去。2022/7/2288第88頁，共137頁。5.8 TCP的擁塞控制5.8.1 擁塞控制的一般原理 在某段時(shí)間，若對網(wǎng)絡(luò)中某資源的需求超過了該資源所能提供的可用部分，網(wǎng)絡(luò)的性能就要變壞產(chǎn)生擁塞(congestion)。出現(xiàn)資源擁塞的條件： 對資源需求的總和 可用資源 (5-7) 若網(wǎng)絡(luò)中有許多資源同時(shí)產(chǎn)生擁塞，網(wǎng)絡(luò)的性能就要明顯變壞，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量將隨輸入負(fù)荷的增大而下降。 2022/7/2289第89頁，共137頁。擁塞控制與流量控制的關(guān)系 擁塞控制所要做的都有一個(gè)前提，就是網(wǎng)絡(luò)能夠承受現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。擁塞控制是一個(gè)全局性的過程，涉及到所有

53、的主機(jī)、所有的路由器，以及與降低網(wǎng)絡(luò)傳輸性能有關(guān)的所有因素。 流量控制往往指在給定的發(fā)送端和接收端之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信量的控制。 流量控制所要做的就是抑制發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，以便使接收端來得及接收。 2022/7/2290第90頁，共137頁。擁塞控制所起的作用 提供的負(fù)載吞吐量理想的擁塞控制實(shí)際的擁塞控制0死鎖（吞吐量 = 0）無擁塞控制擁塞輕度擁塞2022/7/2291第91頁，共137頁。擁塞控制的一般原理 擁塞控制是很難設(shè)計(jì)的，因?yàn)樗且粋€(gè)動(dòng)態(tài)的（而不是靜態(tài)的）問題。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)正朝著高速化的方向發(fā)展，這很容易出現(xiàn)緩存不夠大而造成分組的丟失。但分組的丟失是網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的征兆而不是原因。在許多

54、情況下，甚至正是擁塞控制本身成為引起網(wǎng)絡(luò)性能惡化甚至發(fā)生死鎖的原因。這點(diǎn)應(yīng)特別引起重視。 2022/7/2292第92頁，共137頁。開環(huán)控制和閉環(huán)控制 開環(huán)控制方法就是在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)事先將有關(guān)發(fā)生擁塞的因素考慮周到，力求網(wǎng)絡(luò)在工作時(shí)不產(chǎn)生擁塞。 閉環(huán)控制是基于反饋環(huán)路的概念。屬于閉環(huán)控制的有以下幾種措施： 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以便檢測到擁塞在何時(shí)、何處發(fā)生。將擁塞發(fā)生的信息傳送到可采取行動(dòng)的地方。調(diào)整網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行以解決出現(xiàn)的問題。2022/7/2293第93頁，共137頁。5.8.2 幾種擁塞控制方法1. 慢開始和擁塞避免發(fā)送方維持一個(gè)叫做擁塞窗口 cwnd (congestion window)的

55、狀態(tài)變量。擁塞窗口的大小取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，并且動(dòng)態(tài)地在變化。發(fā)送方讓自己的發(fā)送窗口等于擁塞窗口。如再考慮到接收方的接收能力，則發(fā)送窗口還可能小于擁塞窗口。發(fā)送方控制擁塞窗口的原則是：只要網(wǎng)絡(luò)沒有出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就再增大一些，以便把更多的分組發(fā)送出去。但只要網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，擁塞窗口就減小一些，以減少注入到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)。 2022/7/2294第94頁，共137頁。慢開始算法的原理 在主機(jī)剛剛開始發(fā)送報(bào)文段時(shí)可先設(shè)置擁塞窗口 cwnd = 1，即設(shè)置為一個(gè)最大報(bào)文段 MSS 的數(shù)值。在每收到一個(gè)對新的報(bào)文段的確認(rèn)后，將擁塞窗口加 1，即增加一個(gè) MSS 的數(shù)值。用這樣的方法逐步增大發(fā)送端的擁

56、塞窗口 cwnd，可以使分組注入到網(wǎng)絡(luò)的速率更加合理。 2022/7/2295第95頁，共137頁。發(fā)送方接收方發(fā)送 M1 確認(rèn) M1發(fā)送 M2M3 確認(rèn) M2M3 發(fā)送 M4M7 確認(rèn) M4M7 cwnd = 1 cwnd = 2 cwnd = 4 發(fā)送 M8M15cwnd = 8 tt發(fā)送方每收到一個(gè)對新報(bào)文段的確認(rèn)（重傳的不算在內(nèi)）就使 cwnd 加 1。 輪次 1輪次 2輪次 32022/7/2296第96頁，共137頁。傳輸輪次(transmission round)使用慢開始算法后，每經(jīng)過一個(gè)傳輸輪次，擁塞窗口 cwnd 就加倍。 一個(gè)傳輸輪次所經(jīng)歷的時(shí)間其實(shí)就是往返時(shí)間 RTT。

57、“傳輸輪次”更加強(qiáng)調(diào)：把擁塞窗口 cwnd 所允許發(fā)送的報(bào)文段都連續(xù)發(fā)送出去，并收到了對已發(fā)送的最后一個(gè)字節(jié)的確認(rèn)。例如，擁塞窗口 cwnd = 4，這時(shí)的往返時(shí)間 RTT 就是發(fā)送方連續(xù)發(fā)送 4 個(gè)報(bào)文段，并收到這 4 個(gè)報(bào)文段的確認(rèn)，總共經(jīng)歷的時(shí)間。 2022/7/2297第97頁，共137頁。設(shè)置慢開始門限狀態(tài)變量ssthresh慢開始門限 ssthresh 的用法如下：當(dāng) cwnd ssthresh 時(shí)，停止使用慢開始算法而改用擁塞避免算法。當(dāng) cwnd = ssthresh 時(shí)，既可使用慢開始算法，也可使用擁塞避免算法。擁塞避免算法的思路是讓擁塞窗口 cwnd 緩慢地增大，即每經(jīng)過一

58、個(gè)往返時(shí)間 RTT 就把發(fā)送方的擁塞窗口 cwnd 加 1，而不是加倍，使擁塞窗口 cwnd 按線性規(guī)律緩慢增長。2022/7/2298第98頁，共137頁。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)無論在慢開始階段還是在擁塞避免階段，只要發(fā)送方判斷網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞（其根據(jù)就是沒有按時(shí)收到確認(rèn)），就要把慢開始門限 ssthresh 設(shè)置為出現(xiàn)擁塞時(shí)的發(fā)送方窗口值的一半（但不能小于2）。然后把擁塞窗口 cwnd 重新設(shè)置為 1，執(zhí)行慢開始算法。這樣做的目的就是要迅速減少主機(jī)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的分組數(shù)，使得發(fā)生擁塞的路由器有足夠時(shí)間把隊(duì)列中積壓的分組處理完畢。 2022/7/2299第99頁，共137頁。2216慢開始和擁塞避免算法

59、的實(shí)現(xiàn)舉例 當(dāng) TCP 連接進(jìn)行初始化時(shí)，將擁塞窗口置為 1。圖中的窗口單位不使用字節(jié)而使用報(bào)文段。慢開始門限的初始值設(shè)置為 16 個(gè)報(bào)文段，即 ssthresh = 16。“乘法減小”24681012141618200048122024擁塞窗口 cwnd新的 ssthresh 值網(wǎng)絡(luò)擁塞指數(shù)規(guī)律增長ssthresh 的初始值慢開始慢開始慢開始擁塞避免“加法增大”擁塞避免“加法增大”傳輸輪次2022/7/22100第100頁，共137頁。慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例 發(fā)送端的發(fā)送窗口不能超過擁塞窗口 cwnd 和接收端窗口 rwnd 中的最小值。我們假定接收端窗口足夠大，因此現(xiàn)在發(fā)送窗口的數(shù)

60、值等于擁塞窗口的數(shù)值。2216“乘法減小”24681012141618200048122024擁塞窗口 cwnd新的 ssthresh 值網(wǎng)絡(luò)擁塞指數(shù)規(guī)律增長ssthresh 的初始值慢開始慢開始慢開始擁塞避免“加法增大”擁塞避免“加法增大”傳輸輪次2022/7/22101第101頁，共137頁。慢開始和擁塞避免算法的實(shí)現(xiàn)舉例 在執(zhí)行慢開始算法時(shí)，擁塞窗口 cwnd 的初始值為 1，發(fā)送第一個(gè)報(bào)文段 M0。 2216“乘法減小”24681012141618200048122024擁塞窗口 cwnd新的 ssthresh 值網(wǎng)絡(luò)擁塞指數(shù)規(guī)律增長ssthresh 的初始值慢開始慢開始擁塞避免“加法